低電磁騷擾開關(guān)電源設(shè)計(jì)技巧

0 引 言

電源裝置是電子電氣設(shè)備中所不可缺少的部件，開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕、電壓適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，受到相關(guān)行業(yè)的青睞。但目前存在的缺陷是電磁騷擾大，對(duì)環(huán)境或?qū)ζ渌O(shè)備造成不利影響。目前對(duì)于可變負(fù)載的開關(guān)電源，筆者所了解到的產(chǎn)品最低輸出噪聲電壓也在70 mV以上。設(shè)計(jì)低電磁騷擾的開關(guān)電源，也就成了許多設(shè)計(jì)人員的希望，為此提出了種種方法。本例設(shè)計(jì)要點(diǎn)不同于常規(guī)技術(shù)，而是采取了從源頭上對(duì)電磁噪聲進(jìn)行消除，再結(jié)合一些常規(guī)措施。將電源輸出端口的噪聲電壓降至20 mV以下，顯著提高開關(guān)電源的電磁兼容性指標(biāo)。

1 開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)與降噪原理

該開關(guān)電源的設(shè)計(jì)目標(biāo)是穩(wěn)定20 V輸出，輸出電流0～2 A可變，用于音響系統(tǒng)。為了突出降低電磁噪聲的處理技術(shù)，簡(jiǎn)化電路，用單片開關(guān)電源芯片TOP224Y進(jìn)行設(shè)計(jì)。TOP224Y內(nèi)部已包含了PWM調(diào)制所需的所有電路以及激勵(lì)管輸出，由它激勵(lì)變壓器，開關(guān)頻率為100 kHz，內(nèi)部MOS激勵(lì)管的耐壓為700 V，輸出功率小于45 W。電路如圖1所示，該電路可以獲得更大的輸出功率，只需更改部分器件。圖1中左邊的電路R1，L1，D1，C1至C7是常規(guī)的共模濾波和整流電路，獲取約300 V的直流電壓供DC-DC變換電路使用；最右邊電路L5，C11等是普通的LC濾波電路；IC2，D8，R9，R10組成電壓反饋電路，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定電源輸出電壓；中間部分是DC-DC變換器，降噪聲的關(guān)鍵是對(duì)這一部分的電路進(jìn)行適當(dāng)處理。

對(duì)于中間部分電路而言，TOP224Y作為PWM控制、激勵(lì)，都是常規(guī)處理?？刂贫薈的工作電壓取自變壓器的反激勵(lì)電壓，其中D3是整流管，D4是發(fā)光二極管，用作指導(dǎo)燈。C端的反饋信號(hào)來(lái)自IC2的輸出。芯片的漏極輸出端D連接變壓器和R1，D2，其中R1是半導(dǎo)體壓敏電阻，與D2一起組成芯片限壓保護(hù)電路，防止芯片因過壓而擊穿。該項(xiàng)電路的激勵(lì)方式采用以正激勵(lì)為主的正、反混合激勵(lì)式，變壓器有4個(gè)繞組，其中2個(gè)是基本相似的輸出繞組n3,n4，它的同名端關(guān)系如圖2所示。

DC-DC變換后的整流管使用了三只：D5，D6和D7，沒有獨(dú)立設(shè)置續(xù)流二極管，不同于其他電源電路。D5為續(xù)流而設(shè)置的復(fù)用二極管，D6和是正激勵(lì)脈沖整流二極管，D7是反激勵(lì)電壓整流二極管。L4是DC-DC變換后的第一級(jí)濾波電感。在正激勵(lì)期間，變壓器輸出繞組n3經(jīng)D6，L4輸出電流，第一級(jí)濾波電感L4中電流i4增大，同時(shí)，變壓器自身利益的激勵(lì)磁電流i1也在增大。

當(dāng)正激勵(lì)結(jié)束馬上就進(jìn)入反激勵(lì)階段，濾波電感L4中電流i4將從原值逐步減小。而變壓器中也會(huì)保持勵(lì)磁電流，但它是多繞組結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁電流可以出現(xiàn)在任意一個(gè)繞組中，各電流方向以維持原磁場(chǎng)方向?yàn)闇?zhǔn)。如果控制當(dāng)時(shí)的濾波電感電流i4>n1i1／n4，可以將變壓器磁芯中的勵(lì)磁電流全部轉(zhuǎn)移至n4繞組。也就是電流i4流經(jīng)變壓器輸出繞組n4，除了維持變壓器磁芯磁場(chǎng)，尚有多余，其余量在n4與n3中按匝數(shù)比分配。此時(shí)，二極管D5馬上導(dǎo)通，二極管D6繼續(xù)導(dǎo)通，而二極管D7仍然截止。變壓器繞組無(wú)感生電壓，不放釋放磁場(chǎng)能。隨著濾波電感儲(chǔ)能的釋放，電流i4逐步減小，直至i4=n1i1／n4時(shí)，D6進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)?？梢奃6沒有被除數(shù)強(qiáng)迫截止，處理得當(dāng)，可以消除其關(guān)斷噪聲。接著，變壓器開始產(chǎn)生反激勵(lì)電動(dòng)勢(shì)而釋放儲(chǔ)能，二極管D7開始導(dǎo)通，變壓器的反激勵(lì)電壓被限制。直到變壓器儲(chǔ)能釋放盡，等待下一個(gè)周期的激勵(lì)。

按照這一方法處理，可以消除整流二極管D6的硬關(guān)斷噪聲，但變壓器漏感造成的芯片激勵(lì)管的硬關(guān)斷噪聲仍然存在，這里的輔助繞組可以起到一定的吸收作用。對(duì)于整流二極管的硬開通噪聲，仍采用RC電路吸收能量，降低噪聲，如圖1中的R7，C10電路。

2 主要器件參數(shù)的設(shè)定

2．1 確定變壓器參數(shù)

電路的正激勵(lì)電壓U為300 V，根據(jù)芯片的反向耐壓參數(shù)和可靠性要求，反激電壓設(shè)為200 V。開關(guān)周期為10μs，因此，其中正激勵(lì)時(shí)間為t1=4．0 μs，反激勵(lì)時(shí)間為t2=6．0 μs。按照15 W反激勵(lì)輸出功率計(jì)算，每一個(gè)周期里變壓器儲(chǔ)能應(yīng)該達(dá)到150μJ，即Li1m2=300μJ而Lilm=U1t1，所以有：

式中：i1m為變壓器初級(jí)線圈的最大電流值(單位：A)?？梢运愕米儔浩鞒跫?jí)繞組的電感量L0應(yīng)該達(dá)到4．8 mH。若該電感量取得再大一些也可以，只是反激勵(lì)能量會(huì)減小，要更多地依靠正激勵(lì)輸出。

對(duì)于變壓器初級(jí)繞組的匝數(shù)．按照40 W輸出功率的要求，變壓器可以采用E128錳鋅鐵氧體磁芯，其平均磁路長(zhǎng)度為56 mm，中心磁芯截面積Ae1為77 mm2。這一規(guī)格的變壓器為了避免磁芯出現(xiàn)磁飽和，初級(jí)繞組的最少匝數(shù)為：

Bmax是變壓器磁芯允許的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度。為了達(dá)到4．8 mH電量的初級(jí)繞組匝數(shù)：

顯然，繞制75匝磁路閉合時(shí)已接近磁飽和狀態(tài)。為了可靠起見，增加初級(jí)繞組匝數(shù)，控制在80～100匝間，這里取為100匝。同時(shí)，在磁路中設(shè)置氣隙以增加磁路磁阻Rm。氣隙厚度通常根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況確定。這類單極性激勵(lì)電路將變壓器輸出繞組設(shè)計(jì)成不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。根據(jù)輸出20 V輸出電壓的限制，輸出繞組n4反激電壓定為21 V，變比n=200：21=9．5。反激勵(lì)輸出繞組n4的匝數(shù)根據(jù)變壓比可確定為各11匝；輸出繞組n3正激電壓定為20／0．4=50 V。正激勵(lì)輸出繞組n3的匝數(shù)為100x 50／300=16匝；反饋電壓采用反激勵(lì)輸出，以穩(wěn)定輸出電壓值。按照200：15計(jì)算，繞組的匝數(shù)為8匝。按照以上這些參數(shù)，合理繞制變壓器。

2．2 確定第一級(jí)濾波電感參數(shù)

第一濾波電感的電感量確定原則是：在變壓器的正激勵(lì)期間，濾波電感中形成的勵(lì)磁電流i4足以維持變壓器雄姿磁芯中勵(lì)磁的需要。如果是大電流輸出，按連續(xù)濾波考慮，L4的電感量取值為：

式中：n是變壓器的反激匝比，在此為9．5；U1是原邊正激勵(lì)電壓；U2是副邊正激勵(lì)電壓；U0是電源輸出的直流電壓。如果是小電流輸出，按斷續(xù)濾波考慮，L4的電感量為：

考慮不同輸出電流均能符合續(xù)流要求，第一濾波電感L4的電感量可以取為45μH，這一電感量不能取得過小。

濾波器磁芯的材料一般采用粉芯磁環(huán)，它比鐵氧體磁芯的儲(chǔ)能值大。若選用φ22鐵粉芯磁環(huán)，其平均磁路長(zhǎng)度為50 mm，磁芯橫截面積Ac2為6×11 mm2，相對(duì)磁導(dǎo)率為70。達(dá)到50μH的線圈匝數(shù)為：

濾波器不飽和最大工作電流與磁芯材料的關(guān)系為Imax=(BmaxAe2Rm／N)=(Bmaxl／μ0μτN)。由此算得允許的最大工作電流為16 A，遠(yuǎn)大于電源的實(shí)際輸出電流，不會(huì)出現(xiàn)磁飽和，可以放心使用。該濾波實(shí)際在φ22鐵粉芯磁環(huán)上繞26匝，實(shí)測(cè)為0．048 mH。

2．3 確定其他主要元件參數(shù)

第二級(jí)濾波電感器也采用同規(guī)格的鐵粉芯磁環(huán)，在不出現(xiàn)磁飽和的條件下，電感量以大為好，一般要達(dá)到100μH以上。

濾波電容的容量在體積與成本許可的條件下，以大為好，一般取1 000μF左右。而且要將電解電容器與高速的CBB電容順聯(lián)合使用，以提高高頻脈沖的濾波能力。

高頻整流二極管應(yīng)采用快恢復(fù)管或者肖特基管，否則，開關(guān)噪聲還是難以消除。各二極管的最大整流電流值在2 A以上，反向耐壓參數(shù)在80 V以上。為了降低共模傳導(dǎo)和輻射騷擾，開關(guān)電源在裝配時(shí)應(yīng)該保證高頻交流信號(hào)共地結(jié)構(gòu)，采取有效的電磁屏蔽等措施。

3 電源測(cè)試與效果

這一例開關(guān)電源電磁騷擾抑制技術(shù)主要依靠變壓器與濾波器互相協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)的，可以稱之為系統(tǒng)互補(bǔ)抑制噪聲技術(shù)。該電源經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，其輸出噪聲相比采用同樣器件的常規(guī)電源低得多。圖3是兩者輸出端口噪聲電壓波形的比較，其中，圖3(a)是普通電路的效果，圖3(b)是系統(tǒng)互補(bǔ)抑制噪聲技術(shù)的效果。在圖3(b)中的噪聲波形已經(jīng)包含部分共模輻射噪聲波形(淡灰色部分)，實(shí)際差模噪聲電壓比圖中的幅度還要小，在20 mV以下。這一點(diǎn)可以將示波器探頭芯線與地線短接后，單點(diǎn)連接電源輸出端顯示波形加以證明。如果是差模電壓，不會(huì)在單點(diǎn)連接時(shí)顯示在示波器上，共模噪聲電壓則會(huì)顯示。而且，不管連接在正極還是負(fù)極上，顯示波形幅度與特征均相同。共模噪聲幅度需要在接地方式和加裝外屏蔽殼進(jìn)行抑制。

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)互補(bǔ)抑制噪聲技術(shù)可以大幅度地降低差模噪聲電壓輸出。從開關(guān)器件上電流、電壓變化的特點(diǎn)上看，這一種設(shè)計(jì)實(shí)際是降低了開關(guān)器件的硬特性要求，對(duì)于提高電路的工作效率也十分有效。所制作的整個(gè)電源裝置發(fā)熱情況比較理想，說明工作效率較高。開關(guān)電源產(chǎn)生電磁騷擾的最主要原因是開關(guān)器件上的電流發(fā)生突變，合理使用電感器可以很好地抑制這種電磁騷擾。

以上重點(diǎn)對(duì)于一種新的抑制電磁騷擾技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，開關(guān)電源的電磁噪聲產(chǎn)生的因素有很多，應(yīng)該有針對(duì)性地逐個(gè)加以排除，才能獲得性能比較完善的電源裝置。